VII Podkarpacki Konkurs Chemiczny – 2014/15

1

VII Podkarpacki Konkurs Chemiczny – 2014/15

ETAP III – 28.02.2015 r. Godz. 12.00-15.00

Uwaga! Masy molowe pierwiastków podano na końcu zestawu.

Zadanie 1 (13 pkt)

1. Do probówek z wodą z dodatkiem fenoloftaleiny wprowadzono kolejno: CO₂; CaO; Al₂O₃; SO₂ i Na2O. W których probówkach zaobserwowano pojawienie się zabawienia malinowego?

a) zawierających CaO, Al2O₃ i Na₂O b) x zawierających CaO i Na2O c) zawierających CO₂ i SO₂ d) we wszystkich probówkach

2. Masa cząsteczki gazu, którego gęstość w warunkach normalnych wynosi 1,428 g∙dm^-3 wynosi:

a) 32 g b) 16 u

c) 2,66∙10^-23 g d) x 5,31∙10^-23 g

3. Równowaga reakcji: N2 + O2

2NO dla której H > 0,

a) x do układu wprowadzi się azot b) z układu usunie się tlen c) x podgrzeje się układ d) zmniejszy się ciśnienie

4. Jaką objętość 0,1 molowego roztworu H3PO4 potrzeba do całkowitego zobojętnienia 300 cm³ 0,2 molowego roztworu KOH?

a) 300 cm³ b) x 0,2 dm³ c) x 200 cm³ d) 150 cm³

5. W 250 cm ³ 0,2 molowego roztworu kwasu octowego znajduje się 3,01∙10²⁰ jonów octanowych.

Stopień dysocjacji kwasu wynosi:

a) 0,001 b) x 0,01 c) 0,1 % d) x 1 %

KOPKCh

2

6. Przeprowadzono elektrolizę wodnego roztworu jodku potasu w elektrolizerze przeponowym (przestrzenie anodowa i katodowa oddzielone). Jak zmieni się pH w przestrzeni katodowej?

a) x wzrośnie b) zmaleje

c) pozostanie bez zmian d) pH = pOH

7. Do roztworu siarczanu(VI) miedzi(II) zanurzono płytkę cynkową o masie 10 g. Po 10 min.

płytkę wyjęto, osuszono i zważono. Jaka była masa płytki po ekspozycji?

a) większa b) x mniejsza c) nie zmieniła się d) wzrosła o 23%

8. Produkt gazowy wydzielony na anodzie podczas elektrolizy wodnego roztworu SnCl2 zajął w warunkach normalnych 1,12 dm³. O Ile wzrosła masa katody, jeżeli wydajność prądowa procesu katodowego wynosiła 60%?

a) x 3,56 g b) 35,6 g c) 7,12 g d) 22,4 g

9. Podać wzór rzeczywisty węglowodoru, który w warunkach normalnych jest gazem o gęstości 2,59 g∙dm^-3 i zawiera 82,8% C.

a) C2H6 Obliczanie stosunku moli atomów:

n_C : n_H = 82,8/12 : 17,2/1 = 6,9 / 17,2 = 1 : 2,5 = 2 : 5 Wzór elementarny (najprostszy):

C₂H₅ M_E = 29 g∙mol^-1 Obliczenie masy molowej:

d = m/v = M/22,4  M = 22,4 dm³∙mol^-1 ∙ 2,59 g∙dm^-3 = 58 g∙mol^-1 Obliczanie wzoru rzeczywistego:

n = 58/29 = 2, stąd wzór rzeczywisty C4H₁₀

b) x C4H10

c) CH₄ d) C3H8

10. Reakcja eliminacji wody od 2-metylopentan-3-olu przebiega zgodnie z empiryczną regułą Zajcewa (odwrotną do reguły Markownikowa). Po przeprowadzeniu reakcji wśród produktów stwierdzono obecność cis-4-metylopent-2-enu. Związek ten jest produktem:

a) głównym, b) x ubocznym, c) przejściowym, d) reakcji następczej

Suma punktów: 13 pkt.

Zadanie 2 (11 pkt)

A. Z naważki 5,032 g pewnego dwukarboksylowego kwasu organicznego zawierającego wodę krystalizacyjną sporządzono 1 dm³ roztworu, z którego pobrano próbkę o objętości

3

25 cm³. Do zobojętnienia tej próbki zużyto 19,97 cm³ 0,1-molowego roztworu wodorotlenku sodu. Masa molowa bezwodnego kwasu jest równa, co do wartości liczbie atomowej Z pierwiastka X z grupy aktynowców, który jest najczęściej występującym pierwiastkiem promieniotwórczym w skorupie ziemskiej i ulega przemianie

A Z



X 

Pa ²³⁴₉₂U . Obliczyć ile cząsteczek wody przypada na jedną cząsteczkę kwasu w tym hydracie. Podaj wzór cząsteczkowy uwodnionego kwasu i jego nazwę.

B. Kwas, o którym mowa powyżej wykazuje właściwości redukujące. Obliczyć, ile cm³ 0,1- molowego roztworu manganianu(VII) potasu przereagowało z użytym bezwodnym kwasem organicznym w obecności kwasu siarkowego(VI), jeśli w reakcji wydzieliło się 100 cm³ tlenku węgla(IV) w warunkach normalnych.

Przykładowe rozwiązanie A)

Wzór ogólny kwasu karboksylowego bezwodnego i uwodnionego (hydratu) 1 pkt R(COOH)2 R(COOH)2xH2O - wzór ogólny

Liczba moli NaOH zużyta na zobojętnienie próbki roztworu: 1 pkt nNaOH = cmV = 0,1 mol∙dm^-30,01997 dm³ = 0,001997 mol

Liczba moli kwasu w badanej próbce: 1 pkt

1 mol kwasu – 2 mol NaOH

x – 0,001997 mol NaOH x = 9,985  10^-4 mol kwasu

Liczba moli kwasu w 1 dm³ roztworu: 1 pkt

25 cm³ r-ru – 9,98510^-4 mol kwasu 1000 cm³ r-ru – x₁

x1 = 0,03994 mol kwasu

Masa molowa bezwodnego kwasu R(COOH)2:

pierwiastek ulegający przemianie promienitwórczej: tor (Th, Z = 90), M = 90 g∙mol^-1.

Masa molowa kwasu uwodnionego R(COOH)2xH2O i liczba moli cząsteczek wody Muwodnionego kwasu = Mbezwodnego kwasu + x18 = (90 + 18x) g∙mol^-1

Ponieważ:

nuwodnionego kwasu = muwodnionego kwasu / Muwodnionego kwasu, zatem 2 pkt 0,03994 mol = 5,032 g/(90 + 18x) g∙mol^-1

x = 2

wniosek: na 1 cząsteczkę kwasu przypadają 2 cząsteczki wody M_(COOH)2 = 90 g/mol, więc R = 0

Szukany wzór kwasu: (COOH)₂2H₂O

Nazwa: dihydrat kwasu etanodiowego (szczawiowego) 1 pkt

4 B)

Przebieg reakcji kwasu z manganianem(VII) potasu: 2 pkt

2KMnO₄ + 5(COOH)₂ + 3H₂SO₄ → 2MnSO₄ + K₂SO₄ + 10CO₂ + 8H₂O

Liczba moli przereagowanego KMnO4: 1 pkt

224 dm³ CO2 – 2 mol KMnO4

0,1 dm³ CO₂ – x

x = 8,9310^-4 mol KMnO₄

Objętość zużytego roztworu KMnO4 : 1 pkt

c_m = n/V V = n / cm

V = (8,9310^-4 mol)/(0,1 mol∙dm^-3) = 8,9310^-3 dm³ = 8,93 cm³ r-ru KMnO₄

Suma punktów: 11 pkt

Zadanie 3 (16 pkt)

Próbkę skały wapiennej o masie 5 g, zawierającej węglan wapnia, tlenek wapnia i krzemionkę, zadano kwasem solnym, w którym uległa częściowemu roztworzeniu. W efekcie otrzymano nierozpuszczoną pozostałość, roztwór oraz gaz, który w temp. 20^oC i pod ciśnieniem 1000 hPa zajmuje objętość 706,7 cm³. Do powstałego roztworu dodano nadmiar kwasu siarkowego(VI), otrzymując osad o masie 5,4 g.

1. Podać równania reakcji zachodzących podczas roztwarzania próbki w kwasie solnym.

2. Napisać równanie reakcji powstałego roztworu z kwasem siarkowym(VI).

3. Obliczyć zawartość węglanu wapnia, tlenku wapnia i krzemionki w próbce.

4. Podać zawartość procentową poszczególnych pierwiastków w próbce.

Przykładowe rozwiązanie

1. CaCO₃2HClCaCl₂CO₂H₂O (1) 1 pkt

O H CaCl 2HCl

CaO  ₂ ₂ (2) 1 pkt

SiO2 - nie roztwarza się 1 pkt

2. CaCl₂ H₂SO₄CaSO₄ 2HCl (3) 1 pkt

3. a) Przeliczenie objętości wydzielonego CO2 na warunki normalne:

3 3 1

2 2 1 1

2 650cm

K 293 hPa 1013

K 273 cm 7 , 706 hPa 1000 T

p T V

V p 





 

 = 0,65 dm³ 1 pkt

b) Obliczenie zawartości węglanu wapnia w próbce (reakcja 1):

100 g CaCO3 - 22,4 dm³ CO2 (war. norm.) x₁ - 0,65 dm³

x₁ = ₃

3

4 , 22

65 , 0 100

dm dm g

= 2,9 g CaCO₃ 2 pkt

c) Obliczenie masy chlorku wapnia, powstałego z węglanu wapnia (reakcja 1):

100 g CaCO3 - 111 g CaCl2

5 2,9 g - x2

x2 = 3,2g CaCl₂ g

100 g 2,9 g

111  

1 pkt

d) Obliczenie masy chlorku wapnia powstałego podczas roztwarzania próbki w kwasie solnym (reakcja 3)

111 g CaCl2 - 136 g CaSO4

x3 - 5,4 g x3 = 4,4g CaCl₂

g 136

g 5,4 g

111  

1 pkt

e) Obliczenie masy chlorku wapnia, powstałego z tlenku wapnia:

x4 = x3 –x2 = (4,4 – 3,2)g = 1,2 g CaCl2 1 pkt f) Obliczenie zawartości tlenku wapnia w próbce (reakcja 2):

56 g CaO - 111 g CaCl₂ x5 - 1,2 g x5 =

g g g 111

2 , 1 56 

= 0,6 g CaO 1 pkt

g) Obliczenie zawartości tlenku krzemu (krzemionki) w próbce:

x₆ = (5 – x₁ – x₅) g = 1,5 g SiO₂ 1 pkt

4. Zawartość procentowa pierwiastków (Ca, O, C, Si) w próbce skały wapiennej:

%Si: 60 g SiO2 - 28 g Si 1,5 g - x

x = 0,70 g Si w próbce tj. 100% 5

70 ,

0  = 14,0% Si 1 pkt

% C: 100 g CaCO3 - 12 g C 2,9 g - x

x = 0,35 g C w próbce tj. 100% 5

35 ,

0  = 7,0% C 1 pkt

% Ca: 100 g CaCO3 - 40 g Ca 56 g CaO - 40g Ca 2,9 g - x₁ 0,6 g - x₂ x1 = 1,16 g Ca w CaCO3 x2 = 0,43 g Ca w CaO

% Ca = 100%

5 429 , 0 16 ,

1  

= 31,8% Ca 1 pkt

% O = (100% - 14,0% - 7,0% - 31,8%) = 47,2% O 1 pkt

Suma punktów: 16 pkt

Zadanie 4 (16 pkt)

Roztwory buforowe mogą powstawać nie tylko poprzez zmieszanie roztworu słabego kwasu z roztworem jego soli lub roztworu słabej zasady z roztworami odpowiedniej jej soli jak wynika to z ich definicji. Mogą również powstawać w wyniku reakcji chemicznych zachodzących w roztworach

6

np: w roztworze mocnej zasady i soli słabego kwasu, jeżeli w roztworze tym istnieje nadmiar soli słabego kwasu.

300 cm³ 0,1 M roztworu octanu sodu (CH₃COONa) zmieszano z 200 cm³ 0,05 M roztworu kwasu solnego. Obliczyć wartość pH otrzymanego roztworu oraz zmianę pH roztworu po dodaniu do tego roztworu: a) 60 mg stałego NaOH, b) 250 dm³ wody destylowanej.

W obliczeniach wykorzystaj fakt, że stężenia składników roztworu buforowego są znacznie większe niż stężenia równowagowe jonów wodorowych oraz zaniedbaj zmianę wzrastającej dysocjacji słabego elektrolitu z miarę rozcieńczenia roztworu. MNaOH=40 g/mol, K_CH3COOH=1,74∙10^-5.

Przykładowe rozwiązanie

Podczas zmieszania roztworu CH3COONa oraz roztworu HCl zachodzi reakcja:

CH3COONa + HCl CH3COOH + NaCl 1 pkt lub CH₃COO^- + H⁺ = CH₃COOH

W miarę dodawania roztworu HCl zwiększa się stężenie słabego kwasu i maleje stężenie soli.

Początkowa liczba moli soli:

n_CH3COONa = 300 cm³∙0,1 mol∙dm^-3 = 30 mmol Liczba moli powstałego kwasu CH3COOH:

nHCl = n CH3COOH = 200 cm³∙0,05 mol∙dm^-3 = 10 mmol

Po zmieszaniu roztworów stężenia składników roztworu buforowego (CH3COOH+CHCOONa):

c_CH3COONa = 30 mmol - 10 mmol

300 cm³ + 200 cm³ = 0,04 mol∙dm^-3 2 pkt

c_CH3COOH = ^{10 mmol}

300 cm³+200 cm³ = 0,02 mol∙dm^-3 2 pkt

Stężenie jonów wodorowych w buforze kwaśnym wynosi:

[H⁺] = K_a∙^cHA

c_s = 1,74∙10^-5∙^0,02

0,04= 8,7∙10^-6 mol∙dm^-3 1 pkt

Wartość pH roztworu buforowego wynosi:

pH = -log[H⁺] = -log(8,7∙10^-6) = 5,06 1 pkt

a)

Podczas dodania 60 mg stałego NaOH do roztworu buforowego wprowadzono liczbę milimoli NaOH:

1 mmol NaOH – 40 mg x mmol  60 mg x = 1,5 mmol NaOH

Wprowadzona liczba mmol NaOH zobojętniła 1,5 mmol obecnego w roztworze buforowym kwasu octowego i powstało 1,5 mmol soli.

Stężenie składników roztworu buforowego po wprowadzeniu stałego NaOH wynoszą:

7 c_CH3COONa = 20 mmol + 1,5 mmol

300 cm³ + 200 cm³ = 0,043 mol∙dm^-3 2 pkt

c_CH3COOH = 10 mmol - 1,5 mmol

300 cm³ + 200 cm³ = 0,017 mol∙dm^-3 2 pkt

Stężenie jonów wodorowych w buforze wynosi:

[H⁺] = K_a∙^cHA

c_s = 1,74∙10^-5∙^0,017

0,043= 6,88∙10^-6 mol∙dm^-3 1 pkt

zatem wartość pH roztworu buforowego wynosi:

pH = -log[H⁺] = -log(6,88∙10^-6) = 5,16 1 pkt

Dodatek stałego NaOH do roztworu buforowego spowodował zmianę pH roztworu o wartość

ΔpH = 5,16 - 5,06 = 0,1 1 pkt

b)

Po rozcieńczeniu n-krotnym roztworu buforowego, n razy zmaleje zarówno stężenie kwasu jak i jego soli, zatem stosunek tych stężeń nie ulegnie zmianie i wówczas [H⁺] = Ka. Zgodnie ze wzorem do obliczeń stężenia jonów wodorowych w roztworze buforowym wartość pH roztworu buforowego po rozcieńczeniu będzie równa 5,06. Jest to

prawdziwe dopóki spełniony jest warunek, że cHA i c_s >> [H⁺]. 2 pkt Suma punktów: 16 pkt

Zadanie 5 (25 pkt)

Zadanie 5A (14,5 pkt)

(i) Związek 3-bromo-2-chloropropan-1-ol ulega a) utlenieniu, b) dehydratacji.

Podaj wzory strukturalne produktów organicznych reakcji (a) oraz (b) i ich nazwy systematyczne (należy również uwzględnić trwałe produkty pośrednie jeżeli takie powstają).

(ii) Podaj wzory strukturalne i nazwy systematyczne możliwych izomerów wytworzonego produktu dehydratacji uwzględniając także izomery geometryczne.

Przykładowe rozwiązanie

(i) 3 pkt

Za wzór i za nazwę po 0,5 pkt

H C Br

H C Cl

H C H

H

OH ^{- H2O}

H C Br

H C Cl

C H H

H C Br

H C Cl

H C

H O

H C Br

H C Cl

H C

OH O [O]

[O]

kwas 3-bromo-2-chloropropanowy 3-bromo-2-chloropropanal

3-bromo-2-chloroprop-1-en

8 (ii) Wytworzony produkt dehydratacji: C3H4ClBr,

Izomery produktu dehydratacji: 11,5 pkt

Za wzór i za nazwę po 0,5 pkt

Br Cl

Br H Cl

H

H Br Cl

H

1-bromo-1-chlorocyklopropan, cis-1-bromo-2-chlorocyklopropan, trans-1-bromo-2-chlorocyklopropan

^H3C

H Cl

Br H₃C

H Br

Cl 1-bromo-1-chloroprop-1-en

C H₃

Br Cl

H H₃C

Br H

Cl 2-bromo-1-chloroprop-1-en

^H3C

Cl H

Br H₃C

Cl Br

H 1-bromo-2-chloroprop-1-en

CH₂Br

H Cl

H CH₂Br

H H

Cl

trans-3-bromo-1-chloroprop-1-en, cis-3-bromo-1-chloroprop-1-en

^CH2Cl

H Br

H CH₂Cl

H H

Br

trans-1-bromo-3-chloroprop-1-en, cis-1-bromo-3-chloroprop-1-en

Zadanie 5-B (10,5 pkt)

Ester A hydrolizuje do monokarboksylowego kwasu B (masa molowa 88 g/mol) i alkoholu C.

Reakcja alkoholu C z kwasem solnym prowadzi do związku zawierającego 28% chloru, natomiast łagodne utlenianie alkoholu C prowadzi do aldehydu.

a) Ustal wzór sumaryczny związku B, narysuj wzory półstrukturalne (grupowe) i podaj nazwy systematyczne odpowiednich izomerycznych kwasów karboksylowych,

b) Ustal wzór sumaryczny alkoholu C, narysuj jego wzór strukturalny, podaj nazwę systematyczną i zwyczajową.

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

C C

C

H

H

H H

Cl Br

9

c) Narysuj wzór strukturalny związku A (z dowolnym izomerycznym kwasem B) i podaj jego nazwę systematyczną.

Przykładowe rozwiązanie

a) 4 pkt

za równanie hydrolizy 1 pkt

X C

O

O Y

X COOH + Y OH

(A) (B) (C) H₂O

X, Y - reszta alkilowa lub fenylowa.

B - kwas monokarboksylowy (M = 88 g/mol) za ustalenie wzoru sumarycznego 1 pkt XCOOH

Masa molowa X: 88 - 45 = 43 g Wzór X: C3H7-

Wzór sumaryczny B: C4H8O2

Wzór grupowy kwasu B:

CH3-CH2-CH2-COOH lub (CH3)2CH-COOH za wzór i nazwę po 0,5 pkt (2 pkt) kwas butanowy kwas 2-metylopropanowy

b) 5,5 pkt

YOH

Reakcja alkoholu C z kwasem solnym

YOH + HCl YCl + H2O 0,5 pkt

100 g YCl - 28 g Cl x - 35,5 g Cl x = 126,5 g

M_YCl = 126,5 g∙mol^-1

Masa molowa alkoholu: 126,5  35,5 + 17 = 108 g∙mol^-1 0,5 pkt Reakcja utleniania alkoholu:

YOH [O]

C_xH_y C O

H 0,5 pkt

Skoro alkohol utlenia się do aldehydu to musi to być alkohol I-rzędowy z grupą -CH₂-OH

Masa molowa CxHy = 108 - 31(CH2OH) = 77 g/mol 0,5 pkt Ustalenie liczby moli atomów węgla w CxH_y:

77 g / 12 g = 6,4 => x ≤ 6

Ustalenie reszty alkilowej lub fenylowej spełniającej warunek M = 77 g∙mol^-1: Reszta alkilowa:

C₆H₁₃ => M = 85 g/mol (-) C5H11 => M = 71 g/mol (-) Reszta fenylowa

C₆H₅ => M = 77 g/ mol (+)

10

Szukany alkohol: C6H5CH2OH (C7H8O) 2 pkt

CH₂ OH

wzór strukturalny i nazwa po 0,5 pkt (1,5 pkt) fenylometanol, alkohol benzylowy

c) 1 pkt

za wzór i nazwę po 0,5 pkt ester A

CH₃CH₂

CH₂ C O

CH₂

O CH₃

CH C O

CH₂ O C

H₃

butanian benzylu metylopropanian benzylu

Masy molowe pierwiastków (g∙mol^-1): H - 1; C - 12;O - 16; Si - 28; S - 32; Cl - 35,5; Ca - 40;

Cu - 63,5; Zn - 65,4; Sn - 118,7.